O nouă metodă de imagistică ultrafastă surprinde 11 cadre de la 100 de femtosecunde la 10 nanosecunde
Imagistica ultrafastă permite observarea unor fenomene care se desfășoară prea repede pentru a fi surprinse prin metode convenționale, precum impulsurile laser sau emisiile de unde de șoc. Metodele tradiționale operează pe scări de timp de ordinul microsecundelor sau milisecundelor și folosesc de obicei intervale uniforme între cadre. Această abordare poate rata însă momentele esențiale, mai ales atunci când evenimentul implică mai multe scări de timp suprapuse.
Pentru a rezolva această limitare, o echipă condusă de profesorul asociat Keiichi Nakagawa de la Departamentul de Bioinginerie al Universității din Tokyo a dezvoltat o metodă care concentrează cadrele limitate disponibile exact în intervalele în care au loc schimbările dinamice. Tehnica se numește fotografie ultrafastă logaritmică și folosește un mecanism denumit generare individuală de întârzieri rezolvată pe benzi (BRIDGE). Rezultatele au fost publicate în revista Optica.
Cadre distribuite logaritmic, nu uniform
În loc să înregistreze imagini la intervale egale de timp, fotografia ultrafastă logaritmică plasează cadrele mai aproape unul de altul la momentele timpurii și mai departe la cele târzii. Astfel, un număr limitat de cadre poate conecta dinamica ultrafastă pe aproximativ cinci ordine de mărime în timp.
Conceptul este implementat în fotografia cu mapare total-optică secvențială în timp (STAMP), o tehnică ce oferă calitate ridicată a imaginii și funcționare ultrafastă. BRIDGE extrage secvențial benzi de lungimi de undă și permite ajustarea independentă a acestora, menținând totodată capacitatea de a le asocia cu momente specifice din procesul dinamic. În cadrul acestui proces, un număr finit de cadre poate fi distribuit pe scări de timp de la femtosecunde la nanosecunde.
„Am vrut să vedem atât primul moment, cât și ce urmează”
Keitaro Shimada, cercetător postdoctoral în grupul Nakagawa și autor principal al studiului, a explicat motivația din spatele cercetării. „Am vrut să găsim o modalitate de a conecta aceste scări de timp foarte diferite într-o singură măsurătoare. Cu alte cuvinte, am vrut să vedem atât primul moment, cât și ce urmează, fără a fi nevoiți să alegem între ele”, a declarat el.
Prin personalizarea intervalelor dintre cadre, cercetătorii pot încetini momentele cheie care altfel ar fi ratate cu intervale regulate. Astfel, începutul unui eveniment ultrafast poate fi surprins împreună cu ceea ce urmează imediat după el, într-o singură înregistrare. Tehnica permite obținerea a 11 cadre care acoperă momentele esențiale pe cinci ordine de mărime în timp, de la aproximativ 100 de femtosecunde la 10 nanosecunde.
Secvențele de imagini obținute într-o singură captură arată modul în care sticla și hidroxiapatita (HAP), un component mineral major al oaselor și dinților, reacționează după iradierea cu un impuls laser ultrascurt. Cele 11 cadre conectează primele modificări apărute după iradierea laser cu undele de șoc și ejecția de material care survin mai târziu, pe scări de timp de la femtosecunde la nanosecunde.
Relevanță pentru fenomene greu de reprodus
Imagistica ultrafastă convențională într-o singură captură presupune cel mai adesea înregistrarea la un interval uniform într-o fereastră de timp selectată, punând accent pe un singur moment din proces în detrimentul întregii evoluții. Noua abordare schimbă această paradigmă.
„Ne interesează în special fenomenele care sunt greu de reprodus exact. În acele cazuri, înregistrarea stadiilor timpurii și târzii ale aceluiași eveniment poate releva relații care s-ar pierde atunci când secvența este reconstruită din experimente separate”, a declarat Nakagawa, coautor și investigator principal al studiului.
Cercetătorii continuă să investigheze fenomene de scurtă durată ale căror momente de vârf sunt greu de surprins, precum și conexiunile dintre diferite faze ale aceluiași proces fizic, care nu au putut fi observate până acum din cauza diferențelor dintre scările de timp. Deși tehnica are numeroase aplicații potențiale, echipa propune utilizarea ei în principal în prelucrarea cu laser, dinamica materialelor, cercetarea plasmei și a undelor de șoc, precum și în aplicații biomedicale.
